富水地區(qū)鉆孔樁施工鋼護(hù)筒優(yōu)化技術(shù)研究

陳偉強(qiáng)，呂紅軍，劉 金，劉 輝，云 強(qiáng)，吳幸培

（1、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州 510308；2、中鐵十九局集團(tuán)廣州工程有限公司 廣州 511455；3、中鐵建華南建設(shè)有限公司 廣州 511458；4、廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

鉆孔樁是基礎(chǔ)工程中一種常用的樁基，具有靈活、高效且適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前在基礎(chǔ)工程中得到廣泛應(yīng)用［1］。鋼護(hù)筒具有定位、保護(hù)孔口和防止孔坍塌等作用［2］，鉆孔樁的施工中需要使用護(hù)筒以保證成樁質(zhì)量和效率。全長(zhǎng)鋼護(hù)筒在螺旋灌注樁施工中進(jìn)行了應(yīng)用［3］，為淤泥質(zhì)地層中灌注樁的施工技術(shù)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。唐紅梅等人［4-5］對(duì)鉆孔樁施工鋼護(hù)筒的施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，鉆孔樁的施工質(zhì)量得到有效控制。張小聰［6］對(duì)深水軟厚弱覆蓋層樁基施工的鋼護(hù)筒的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提高了深水地區(qū)成樁質(zhì)量。此外，鋼護(hù)筒在施工技術(shù)［7-9］和施工方法［10-11］等方面的改進(jìn)也取得了不錯(cuò)的效果，提高了鉆孔樁的施工質(zhì)量。雖然上述研究與應(yīng)用取得了成功，但是鋼護(hù)筒在鉆孔樁施工中的應(yīng)用仍存在諸多問題和挑戰(zhàn)。

鉆孔樁在富水地區(qū)進(jìn)行施工時(shí)，地下水位較高，土壤潮濕［12］，現(xiàn)有鋼護(hù)筒鉆孔樁施工實(shí)施效果差，現(xiàn)有鋼護(hù)筒長(zhǎng)度較短，容易造成鉆孔樁施工出現(xiàn)坍塌、縮頸等問題，導(dǎo)致成樁質(zhì)量低。現(xiàn)有鋼護(hù)筒直徑過大，導(dǎo)致灌注材料消耗嚴(yán)重。本文以廣州某車輛段項(xiàng)目為背景，對(duì)鉆孔樁施工鋼護(hù)筒的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)項(xiàng)目中現(xiàn)有鋼護(hù)筒進(jìn)行尺寸優(yōu)化，合理增加護(hù)筒長(zhǎng)度以貫通軟弱底層，避免了施工時(shí)出現(xiàn)塌孔、縮徑等問題。其次縮小護(hù)筒直徑，減少灌注混凝土超耗，控制了施工成本，并將優(yōu)化后的鋼護(hù)筒應(yīng)用于工程項(xiàng)目，驗(yàn)證其使用效果，提出了相應(yīng)的建議和措施。

1 工程概況

1.1 工程項(xiàng)目概況

廣州某車輛段位于南沙區(qū)，段址呈東北至西南方向布置。地塊長(zhǎng)約2 048 m，寬約460 m。地處珠江三角洲沖積平原，地形較平坦，相對(duì)高差較小，場(chǎng)地范圍內(nèi)地面高程一般為1.83～7.33 m，以河涌、農(nóng)田、蕉林、苗圃、水塘為主。車輛段距離七涌150 m，距離八涌550 m，距離珠江200 m，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地表水發(fā)育，周圍水系發(fā)達(dá)。

1.2 工程地質(zhì)概況

本項(xiàng)目地層復(fù)雜，如圖1 所示。場(chǎng)地范圍內(nèi)揭露的地層從上到下有人工填土層〈1〉；海陸交互相淤泥〈2-1A〉、淤泥質(zhì)土〈2-1B〉及淤泥質(zhì)粉細(xì)砂〈2-2〉、淤泥質(zhì)中粗砂〈2-3〉；沖洪積粉細(xì)砂〈3-1〉、中粗砂〈3-2〉、礫砂〈3-3〉、圓礫〈3-4〉及粉質(zhì)黏土〈4N-2〉、〈4N-3〉；河湖相沉積淤泥質(zhì)土〈4-2B〉；下伏基巖為花崗巖。對(duì)于摩擦端承樁，要求入中風(fēng)化花崗巖1 m，其天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度約30 MPa。

圖1 地質(zhì)勘測(cè)Fig.1 Geological Survey

1.3 水文概況

本項(xiàng)目場(chǎng)地距離七涌約150 m，距八涌約550 m，距蕉門水道約200 m。場(chǎng)地內(nèi)及周邊有較多魚塘，水深約1.8 m，地表水發(fā)育。且項(xiàng)目場(chǎng)地處于海陸交互相沖積平原地貌，地下水水位埋藏淺，初見水位埋深0.00～4.00 m，穩(wěn)定水位埋深0.00～4.50 m。地下水位的變化與地下水的賦存、補(bǔ)給及排泄關(guān)系密切，每年5～10月為雨季，大氣降雨充沛，水位明顯上升，冬季因降水減少，地下水位隨之下降。

2 護(hù)筒優(yōu)化工藝

護(hù)筒埋設(shè)長(zhǎng)度盡可能以覆蓋整個(gè)流塑性淤泥層、保持地層基本穩(wěn)定性為原則。經(jīng)調(diào)查研究，目前快速打拔護(hù)筒的振動(dòng)錘打拔高度最大為18 m，現(xiàn)有鋼護(hù)筒長(zhǎng)度僅為12 m，難以滿足打拔高度要求。因此決定對(duì)現(xiàn)有護(hù)筒尺寸進(jìn)行優(yōu)化，將現(xiàn)有護(hù)筒?1.4 m、長(zhǎng)度僅為12 m 護(hù)筒優(yōu)化為?1.22 m、長(zhǎng)度18 m。因優(yōu)化后的護(hù)筒過長(zhǎng)，同步設(shè)計(jì)了輔助打拔裝置，輔助護(hù)筒打拔施工。該優(yōu)化工藝的流程為：模具加工?護(hù)筒清理?護(hù)筒切割?護(hù)筒合攏?護(hù)筒焊接?護(hù)筒頂圓?護(hù)筒包邊?護(hù)筒拖運(yùn)。

2.1 施工準(zhǔn)備

為保證場(chǎng)內(nèi)護(hù)筒倒運(yùn)及施工效率，在車輛段鋼筋廠南側(cè)區(qū)域提供40 m×80 m 場(chǎng)地，作為臨時(shí)護(hù)筒改造修復(fù)作業(yè)區(qū)，保證場(chǎng)地平整，施工用電、運(yùn)輸?shù)缆返韧〞?。配?5 t汽車吊1臺(tái)、二保焊機(jī)等相關(guān)小型設(shè)備，用于鋼護(hù)筒及優(yōu)化機(jī)具倒運(yùn)，保證優(yōu)化修復(fù)工作順利有序進(jìn)行。

2.2 模具加工

護(hù)筒優(yōu)化采用液壓式千斤頂頂進(jìn)原理，如圖2?所示，模具加工原材為20 mm 厚鋼板等零件組成，零件尺寸如圖2?所示，全部采用焊接方式拼接。將拼接好的模具配備50 t液壓式千斤頂，進(jìn)行整體組裝。

圖2 護(hù)筒加工機(jī)具Fig.2 Casing Processing Tools （mm）

2.3 護(hù)筒清理

已有護(hù)筒為?1.4 m，長(zhǎng)度12 m，為提高鋼護(hù)筒使用效率，優(yōu)先將已經(jīng)使用過且破損的護(hù)筒進(jìn)行優(yōu)化利用。為保證焊接質(zhì)量，采用大錘、鐵鍬、高壓水槍沖洗等方式，對(duì)利用的護(hù)筒粘附水泥漿進(jìn)行人工清理，達(dá)到護(hù)筒表面無水泥漿、泥土等雜物的要求。

2.4 護(hù)筒切割

護(hù)筒表面清理后，將原有直徑1.4 m護(hù)筒縮徑優(yōu)化為內(nèi)徑1.22 m，采用等離子切割機(jī)將多余部分切除，切除寬度為54.6 cm（3.14×1.412～3.14×1.232）切縫平整光滑，采用硬性鋼條進(jìn)行輔助施工，將原有護(hù)筒不規(guī)則部分切除，達(dá)到護(hù)筒斷面基本閉合的條件，采用軟型材質(zhì)對(duì)護(hù)筒進(jìn)行包裹，用等離子切割機(jī)對(duì)護(hù)筒進(jìn)行環(huán)切。

2.5 護(hù)筒合攏焊接

將已切割完成的護(hù)筒吊裝至夾具位置，如圖3?所示，采用吊車配合放置受壓槽，受壓槽為護(hù)筒優(yōu)化夾具受壓槽，內(nèi)徑為1.244 m。當(dāng)壓力達(dá)到飽和值，護(hù)筒受壓發(fā)生形變使兩條切割線重合，如圖3?所示，采用鋼板幫焊的方式將焊縫焊接，要求滿焊，焊縫飽滿，護(hù)筒內(nèi)外雙面同時(shí)進(jìn)行焊接，使護(hù)筒大致定位重合。為防止受壓變形過大以及切縫重合不閉合，在護(hù)筒內(nèi)部設(shè)置防壓梁（為鋼結(jié)構(gòu)加工零件），焊接至護(hù)筒內(nèi)側(cè)，外徑為1.22 m。

2.6 護(hù)筒接長(zhǎng)焊接

原有護(hù)筒長(zhǎng)為12 m，需拼接為18 m，采用焊片幫焊形式提高焊縫位置強(qiáng)度，焊片尺寸為50 cm×50 cm，焊接位置要求焊縫飽滿。如圖4 所示，為保證護(hù)筒垂直度，將用20a 型工字鋼搭設(shè)施工平臺(tái)，采用機(jī)械吊裝，將焊接前護(hù)筒吊裝至施工平臺(tái)，采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)平，進(jìn)行下一步焊接作業(yè)。

圖4 護(hù)筒接長(zhǎng)焊接Fig.4 Long Welding of the Casing

2.7 護(hù)筒頂圓

護(hù)筒接長(zhǎng)后，使用護(hù)筒優(yōu)化內(nèi)模具臺(tái)車對(duì)護(hù)筒頂圓。如圖5?所示，臺(tái)車為零散件拼裝而成，設(shè)置萬向輪，方便在護(hù)筒內(nèi)部行走。臺(tái)車模具外徑為1.22 m。配備20 t 液壓站千斤頂組合，對(duì)模具進(jìn)行施壓，由護(hù)筒內(nèi)部產(chǎn)生反壓力，對(duì)護(hù)筒進(jìn)行物理式形變，考慮到護(hù)筒材質(zhì)為鋼材，有一定的彈性，故在護(hù)筒頂圓時(shí)將持續(xù)加壓3～5 s，以保證頂圓工序完成后護(hù)筒內(nèi)徑滿足設(shè)計(jì)內(nèi)徑要求，護(hù)筒頂圓施工如圖5?所示。

圖5 護(hù)筒頂圓Fig.5 Casing Top Circle

2.8 護(hù)筒包邊

為保證護(hù)筒多次重復(fù)利用，減少護(hù)筒磨損，提高護(hù)筒使用壽命，對(duì)護(hù)筒兩頭進(jìn)行鋼板包邊處理，如圖6所示，包邊寬度25 cm為避免材料浪費(fèi)，將原切割下來的不規(guī)則部分重新處理加工，滿足使用條件后進(jìn)行焊接施工，焊接位置要求焊縫飽滿。護(hù)筒加工完成后，為方便護(hù)筒轉(zhuǎn)運(yùn)及現(xiàn)場(chǎng)吊裝，設(shè)置兩個(gè)吊裝孔，吊裝孔用氧氣乙炔切割而成。

圖6 護(hù)筒包邊Fig.6 Casing Hemming

3 試樁實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了探討鉆孔樁施工鋼護(hù)筒優(yōu)化后的使用效果，將優(yōu)化后的鋼護(hù)筒用于萬頃沙車輛段鉆孔樁的施工中。該車輛段庫(kù)區(qū)為1.0～1.2 m 鉆孔樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)45～70 m。在護(hù)筒優(yōu)化完成后，考慮施工難度及代表性，分別進(jìn)行3 次鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，均為1.2 m 嵌巖樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)分別為54.85 m、50.35 m 和60.85 m，實(shí)際終孔深度分別為51.251 m、47.100 m 和61.956 m，基本涵蓋場(chǎng)內(nèi)樁基施工長(zhǎng)度，各工序均正常進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，護(hù)筒拔除過程中均在護(hù)筒底部軟弱地層出現(xiàn)輕微擴(kuò)孔或縮徑現(xiàn)象，但是鉆進(jìn)完成后，鋼筋籠仍可正常下放，二次清孔效率明顯提高，說明鉆進(jìn)過程中并未出現(xiàn)嚴(yán)重的縮徑或塌孔現(xiàn)象，不影響樁基實(shí)體質(zhì)量。同時(shí)，混凝土實(shí)際灌注量與設(shè)計(jì)灌注量相差不大，證明優(yōu)化后的護(hù)筒能夠有效控制混凝土超耗，降低施工成本。

試驗(yàn)完成后，優(yōu)化后的鋼護(hù)筒在場(chǎng)內(nèi)開始大規(guī)模使用，僅有小部分軟弱地層厚度超過20 m的樁基出現(xiàn)不同程度的擴(kuò)孔、縮徑現(xiàn)象，并不影響樁基實(shí)體質(zhì)量。使用效果顯示，護(hù)筒優(yōu)化后，樁基施工進(jìn)度明顯提高，混凝土超耗量明顯降低。

4 結(jié)論

本文為解決富水地區(qū)鉆孔樁施工中傳統(tǒng)鋼護(hù)筒難以保證成樁質(zhì)量等問題，對(duì)鋼護(hù)筒優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了研究，利用該技術(shù)對(duì)廣州某車輛段鉆孔樁基礎(chǔ)施工中所使用的鋼護(hù)筒進(jìn)行優(yōu)化，并在實(shí)際工程中應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

⑴在軟弱地層進(jìn)行樁基施工，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整護(hù)筒長(zhǎng)度，最好采用貫通式鋼護(hù)筒進(jìn)行防護(hù)，可顯著提高樁基施工效率，減少塌孔、擴(kuò)孔、縮徑現(xiàn)象。

⑵適當(dāng)控制護(hù)筒直徑，可有效降低樁基混凝土損耗。

⑶護(hù)筒優(yōu)化修復(fù)技術(shù)使施工過程中變形較大、面臨淘汰的護(hù)筒可以繼續(xù)使用，減少了護(hù)筒損耗，提高了護(hù)筒使用壽命。